ما هو مبدأ أرخميدس؟
مبدأ أرخميدس، أو ما يعرف بدافعة أرخميدس، هو قانون فيزيائي أساسي. اكتشفه العالم اليوناني أرخميدس. يتعلق هذا المبدأ بقوة الطفو المؤثرة على الأجسام سواء كانت مغمورة كليًا أو جزئيًا في السوائل (والتي تشمل الغازات أيضًا). يصف المبدأ العلاقة بين وزن الجسم المزاح وقوة الطفو.
صياغة قانون أرخميدس
ينص قانون أرخميدس على أن الجسم المغمور، سواء بشكل كامل أو جزئي، في سائل ما، يتعرض لقوة دفع عمودية إلى أعلى. هذه القوة تساوي وزن السائل الذي أزاحه الجسم. على سبيل المثال، إذا وضعنا حجرًا في وعاء مملوء بالماء، فإن الحجر سيتسبب في إزاحة كمية من الماء. قوة الطفو المؤثرة على الحجر ستكون مساوية لوزن الماء الذي تم إزاحته.
إجراء تجربة عملية لمبدأ أرخميدس
قبل الشروع في إجراء هذه التجربة، من الضروري فهم قانون قوة الطفو، والذي يمكن التعبير عنه بالصيغة التالية:
FB = ρVg
حيث:
- FB: ترمز إلى قوة الطفو.
- ρ: تمثل كثافة السائل.
- V: هو حجم السائل الذي تم إزاحته.
- g: يمثل تسارع الجاذبية الأرضية.
مع الأخذ في الاعتبار أن مصطلح “السوائل” يشمل الغازات أيضًا. في هذه التجربة، سيتم قياس قوة الطفو باستخدام أربع طرق مختلفة، وبعد ذلك ستتم مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها لضمان الدقة والتحقق من صحة المبدأ.
الأدوات والمواد اللازمة
لإجراء هذه التجربة، ستحتاج إلى الأدوات التالية:
- مخبار مدرج لقياس الحجوم بدقة.
- مقياس كثافة السوائل (هيدروميتر) لتحديد كثافة السوائل.
- ميزان إلكتروني دقيق لقياس الكتلة.
- سلسلة لتعليق الأجسام.
- كرة معدنية.
- كرة خشبية.
- كأس زجاجي.
الطريقة الأولى: الاعتماد على قياس الوزن
تتضمن هذه الطريقة الخطوات التالية:
- قياس كتلة الكرة المعدنية وتسجيلها. ثم حساب وزنها في الهواء، وليكن FA air.
- تعليق الكرة المعدنية بالسلسلة، ووضع المخبار المدرج على الميزان.
- ملء المخبار المدرج جزئيًا بالماء.
- غمر الكرة المعدنية في الماء الموجود في المخبار. يجب الحرص على عدم وصول الماء إلى حافة المخبار.
- قياس كتلة الكرة المعدنية وهي مغمورة في الماء. ثم حساب الفرق بين وزنها في الهواء (FA air) ووزنها في الماء (FB). قوة الطفو (FB) تحسب كالتالي: FB = FA air – Fb.
- تكرار الخطوات السابقة عدة مرات، ثم حساب متوسط النتائج.
- تكرار نفس الخطوات مع الكرة الخشبية، وحساب المتوسط.
الطريقة الثانية: حساب قيمة الحجم
تتضمن هذه الطريقة الخطوات التالية:
- ملء المخبار المدرج بكمية محددة من الماء، وتسجيل القراءة الأولية للحجم.
- غمر الكرة المعدنية في الماء الموجود في المخبار، وتسجيل القراءة الجديدة للحجم.
- إزالة الكرة المعدنية وتجفيفها جيدًا، ثم تفريغ المخبار المدرج من الماء.
- حساب الكثافة باستخدام المعادلة التالية: ρ = M/V، حيث M هي كتلة الكرة قبل غمرها في الماء، و V هو حجم الماء المزاح (الفرق بين القراءتين).
الطريقة الثالثة: تقدير قوة الطفو نظريًا
تتضمن هذه الطريقة الخطوات التالية:
- قياس ارتفاع الكرة المعدنية وقطرها، ثم حساب حجمها باستخدام القياسات.
- باستخدام الحجم المحسوب، وتسارع الجاذبية الأرضية، وكثافة الماء، حساب قوة الطفو باستخدام المعادلة التالية: FB = ρVg.
- مقارنة القيم التي تم الحصول عليها مع القيم التي تم الحصول عليها في التجارب السابقة لتقييم الدقة.
الطريقة الرابعة: تحديد قوة الطفو لجسم طافٍ
تتضمن هذه الطريقة الخطوات التالية:
- قياس كتلة وحجم الكرة الخشبية.
- ملء المخبار المدرج جزئيًا بالماء، وتسجيل الحجم الأولي.
- وضع الكرة الخشبية برفق على سطح الماء في المخبار.
- تسجيل الحجم الجديد للماء بعد وضع الكرة الخشبية.
- حساب الفرق بين الحجمين (النهائي والأولي) للحصول على حجم الماء المزاح.
- حساب وزن الماء المزاح.
- مقارنة قوة الطفو (وزن الماء المزاح) مع وزن الكرة الخشبية للتحقق من التوازن.
المراجع
- EUGENE BRENNAN (19/1/2022), “Archimedes’ Principle Experiments and Buoyant Force”, owlcation, تم الاسترجاع في 19/1/2022.
- “Experiment 12 Archimedes’ Principle”, tumwater.k12, 19/1/2022, تم الاسترجاع في 19/1/2022.
- “Exp1-Archimedes – Full Lab Report”, studocu, 19/1/2022, تم الاسترجاع في 19/1/2022.
- “Experiment 10: Archimedes’ Principle”, phy.olemiss, 19/1/2022, تم الاسترجاع في 19/1/2022.
